塑膠專欄
UV光硬化樹脂之發展與應用
高分子材料
一、前言
隨著經濟的發展與全球化的趨勢，綠色科技的概念已普遍獲得各工業國家的認同，且國內環保意識日益強化，因此發展清淨生產製程技術，亦即所謂的綠色製程，不但間接上能提昇國家在國際的形象，並且直接上亦可改善國內人民的生活品質。紫外光硬化(UV curing)技術，是由1970年代開始發展的綠色技術，其優點是製程不會有有機溶劑的揮發，可以減少能源的浪費，提高交聯密度，製程時間縮短，品質容易控制，提高生產效率和產量，所需的設備空間小。紫外線硬化樹脂不含有機溶劑，可避免溶劑對大氣層與環境污染的危害。依據樹脂的成分與硬化方式，紫外線硬化樹脂符合綠色化學的四項原則：(1)化學反應的產物應是無毒和環境友好的，(2)能量利用率應達到最高，(3)化學反應不需要溶劑，(4)化學反應可以在常溫、常壓下進行。
紫外光硬化樹脂的物理性能，主要會受到用來硬化它們的硬化設備系統所影響。紫外光硬化系列的各種產品，全部都會受到紫外光燈管的參數、設計、及控制的方法所影響。紫外光燈四個重要的關鍵參數分別是：1. 紫外光照度；2. 光譜分佈(波長)；3. 紫外光能量；4. 紅外光。紫外光硬化樹脂受到燈管的照度、能量、以及不同波段波長的影響，會呈現出各種不同的特性。藉由不同的紫外光燈管特性，再配合著各種不同的紫外光硬化樹脂，讓我們可以把紫外光硬化技術提昇成為一種快速與高效能的生產製程。
紫外光硬化樹脂是選用合適波段之紫外光來代替熱源，使液態的樹脂硬化為固態，其優點是反應性快、硬化時間短。本文是要利用UV光波段之紫外光來硬化丙烯酸酯聚合物，丙烯酸酯聚合物則是由四種成分不同的寡聚物、單體及光起始劑所組成。
二、光硬化型樹脂的種類與發展應用
近幾年來有許多種類的樹脂被開發應用於光硬化系統，其中大致可以分為以下兩大類型：
1、反應性樹脂（Reactive Resin）。
2、非反應性樹脂（Non-reactive Resin）常用的反應性樹脂，又可進一步區分為兩大類：(1)乙烯基類（Vinyl base） (2)非乙烯基類（Non-vinyl base）。
本研究主要探討乙烯基類，此聚合物就是在其結構中含有雙鍵結構，而藉由雙鍵的聚合以進行架橋反應，其引發反應的方式有許多種，一般較常使用的有熱過氧化物或是高能量的輻射線等；而光硬化型樹脂就是使用高能量的紫外線來達到硬化目的的聚合物，當有光起始劑和具有乙烯基等光硬化型化合物所組成之混合物，經紫外線照射後會因發生活性自由基（Radical）、活性離子而進行聚合。一般常用的原料如Maleic anhydride、Fumaric acid、Itaconic acid、Allyl alcohol、Cyclopentadiene、Acrylic acid、Mathacrylic acid、Acrylamide、Hydroxy ethyl acrylate、Hydroxy propyl acrylate、Glycidyl acrylate 與Glycidyl methacrylate 等使這類樹脂能帶有乙烯基，而乙烯基的化合物對紫外線的反應性會低於含有丙烯酸基（Acrylic functionality）類的化合物，其各種雙鍵的反應性比較大致如下：Acrylic＞Methacrylic＞Allyl＞Vinyl。
一般紫外光硬化樹脂的組成配方可分為三大部份，第一部份為寡聚物(Oligomer)，約佔組成中的50%～80%不等，要求性質有(1)低黏度(2)無臭味，硬化性優(3)低毒性；第二部份為反應性稀釋單體(Reactive Monomer)，約佔總量的20%～50%左右，要求性質(1)具光反應性(2)良好的硬化速率(3)良好的溶劑力(4)揮發性低等；第三部份為光起始劑(Photoinitiator)，約佔總量的1%～10%，要求性質(1)能夠吸引紫外光輻射能，並能誘始聚合作用、(2)良好的熱安定性；其它還可因應性能上之用途需求，而加入添加助劑，甚至少量溶劑等。目前用於光學產品的UV光硬化型樹脂，包含光學塗層、光學膜的反應多為壓克力系列單體，通常會導入矽樹脂以增加光學膜的表面硬度。化學反應式如下圖1. Condensation between hydroxyl groups of silanol and HEMA 及圖2. UV curing。
圖1 Condensation between hydroxyl groups of silanol and HEMA
圖2 UV curing
由於目前實用的紫外光硬化技術著重於硬化速度的快慢與產量大小，加上對於無溶劑型樹脂的需求，所以目前使用上的主流樹脂，皆是以含Acrylic 官能基為主，使得含Acrylic官能基的樹脂將在未來扮演更重要的角色。
隨著經濟的發展與全球化的趨勢，綠色科技的概念已普遍獲得各工業國家的認同，且國內環保意識日益強化，因此發展清淨生產製程技術，亦即所謂的綠色製程，不但間接上能提昇國家在國際的形象，並且直接上亦可改善國內人民的生活品質。紫外光硬化(UV curing)技術，是由1970年代開始發展的綠色技術，其優點是製程不會有有機溶劑的揮發，可以減少能源的浪費，提高交聯密度，製程時間縮短，品質容易控制，提高生產效率和產量，所需的設備空間小。紫外線硬化樹脂不含有機溶劑，可避免溶劑對大氣層與環境污染的危害。依據樹脂的成分與硬化方式，紫外線硬化樹脂符合綠色化學的四項原則：(1)化學反應的產物應是無毒和環境友好的，(2)能量利用率應達到最高，(3)化學反應不需要溶劑，(4)化學反應可以在常溫、常壓下進行。
紫外光硬化樹脂的物理性能，主要會受到用來硬化它們的硬化設備系統所影響。紫外光硬化系列的各種產品，全部都會受到紫外光燈管的參數、設計、及控制的方法所影響。紫外光燈四個重要的關鍵參數分別是：1. 紫外光照度；2. 光譜分佈(波長)；3. 紫外光能量；4. 紅外光。紫外光硬化樹脂受到燈管的照度、能量、以及不同波段波長的影響，會呈現出各種不同的特性。藉由不同的紫外光燈管特性，再配合著各種不同的紫外光硬化樹脂，讓我們可以把紫外光硬化技術提昇成為一種快速與高效能的生產製程。
紫外光硬化樹脂是選用合適波段之紫外光來代替熱源，使液態的樹脂硬化為固態，其優點是反應性快、硬化時間短。本文是要利用UV光波段之紫外光來硬化丙烯酸酯聚合物，丙烯酸酯聚合物則是由四種成分不同的寡聚物、單體及光起始劑所組成。
二、光硬化型樹脂的種類與發展應用
近幾年來有許多種類的樹脂被開發應用於光硬化系統，其中大致可以分為以下兩大類型：
1、反應性樹脂（Reactive Resin）。
2、非反應性樹脂（Non-reactive Resin）常用的反應性樹脂，又可進一步區分為兩大類：(1)乙烯基類（Vinyl base） (2)非乙烯基類（Non-vinyl base）。
本研究主要探討乙烯基類，此聚合物就是在其結構中含有雙鍵結構，而藉由雙鍵的聚合以進行架橋反應，其引發反應的方式有許多種，一般較常使用的有熱過氧化物或是高能量的輻射線等；而光硬化型樹脂就是使用高能量的紫外線來達到硬化目的的聚合物，當有光起始劑和具有乙烯基等光硬化型化合物所組成之混合物，經紫外線照射後會因發生活性自由基（Radical）、活性離子而進行聚合。一般常用的原料如Maleic anhydride、Fumaric acid、Itaconic acid、Allyl alcohol、Cyclopentadiene、Acrylic acid、Mathacrylic acid、Acrylamide、Hydroxy ethyl acrylate、Hydroxy propyl acrylate、Glycidyl acrylate 與Glycidyl methacrylate 等使這類樹脂能帶有乙烯基，而乙烯基的化合物對紫外線的反應性會低於含有丙烯酸基（Acrylic functionality）類的化合物，其各種雙鍵的反應性比較大致如下：Acrylic＞Methacrylic＞Allyl＞Vinyl。
一般紫外光硬化樹脂的組成配方可分為三大部份，第一部份為寡聚物(Oligomer)，約佔組成中的50%～80%不等，要求性質有(1)低黏度(2)無臭味，硬化性優(3)低毒性；第二部份為反應性稀釋單體(Reactive Monomer)，約佔總量的20%～50%左右，要求性質(1)具光反應性(2)良好的硬化速率(3)良好的溶劑力(4)揮發性低等；第三部份為光起始劑(Photoinitiator)，約佔總量的1%～10%，要求性質(1)能夠吸引紫外光輻射能，並能誘始聚合作用、(2)良好的熱安定性；其它還可因應性能上之用途需求，而加入添加助劑，甚至少量溶劑等。目前用於光學產品的UV光硬化型樹脂，包含光學塗層、光學膜的反應多為壓克力系列單體，通常會導入矽樹脂以增加光學膜的表面硬度。化學反應式如下圖1. Condensation between hydroxyl groups of silanol and HEMA 及圖2. UV curing。
圖1 Condensation between hydroxyl groups of silanol and HEMA
由於目前實用的紫外光硬化技術著重於硬化速度的快慢與產量大小，加上對於無溶劑型樹脂的需求，所以目前使用上的主流樹脂，皆是以含Acrylic 官能基為主，使得含Acrylic官能基的樹脂將在未來扮演更重要的角色。